Germániový chemický prvok

Germanium (Ge), chemický prvok medzi kremíkom a cínom v skupine 14 (IVa) periodickej tabuľky, striebornošedý metaloid, ktorý má medziprodukty vo vlastnostiach medzi kovmi a nekovmi. Hoci germánium neobjavil až do roku 1886 nemecký chemik Clemens Winkler, jeho existenciu, vlastnosti a postavenie v periodickom systéme predpovedal v roku 1871 ruský chemik Dmitrij Ivanovič Mendelejev, ktorý nazval hypotetický prvok ekasilikón. (Názov germánium pochádza z latinského slova Germania [Nemecko] a tento prvok dostal Winkler.) Germánium sa stal ekonomicky významný až po roku 1945, keď sa jeho vlastnosti ako polovodiča v elektronike uznali za hodnotné. Ako polovodiče sa v súčasnosti používa mnoho ďalších látok, ale germánium zostáva prvoradý význam pri výrobe tranzistorov a komponentov pre zariadenia, ako sú usmerňovače a fotobunky.

prvok uhlíkovej skupiny

(C), kremík (Si), germánium (Ge), cín (Sn), olovo (Pb) a flerovium (Fl).

Z hľadiska hmotnosti je germánium vzácnym, ale nie veľmi zriedkavým (asi 1,5 ppm) prvku v zemskej kôre, ktorý sa v hojnosti rovná beryliu, molybdénu a céziu a prevyšujúci prvky arzén, kadmium, antimón a ortuť., V kozme atómová hojnosť germánia je 50,5 (na základe Si = 1 x 10 ⁶), je hodnota zhruba rovnaká, ako tie, pre kryptón a zirkónia a len o málo menší, ako je selén. Vesmírna hojnosť je oveľa menšia ako v prípade mnohých ťažších prvkov; napríklad bróm, stroncium, cín, bárium, ortuť a olovo. Všetky prvky s nižším jadrovým nábojom ako germánium, okrem berylia, bóru, škandia a gália, sú kozmicky hojnejšie ako germánium. Z kozmického hľadiska sa germánium považuje za jeden z mnohých prvkov tvorených absorpciou neutrónov po počiatočných procesoch spaľovania vodíka a hélia a absorpcie alfa-častíc.

Germánium je v prírode rozšírené, ale je príliš reaktívne na to, aby sa vyskytlo bez výskytu. Medzi primárne minerály patrí argyrodit (z ktorého bol prvýkrát izolovaný), germanit, renierit a canfieldit, všetky zriedkavé; ako komerčné zdroje prvku sa použili iba germanit a renierit. Stopové množstvá germánia sa nachádzajú v určitých zmesiach zinku, v sulfidických rudách medi a arzénu av uhliach, ktoré sú pravdepodobne dôsledkom koncentrácie prvku rastlinami z karbónového obdobia v geologickej histórii. Je známe, že niektoré dnešné rastliny koncentrujú germánium. Koncentráty zinočnatého procesu a popol a dymové prachy zo zariadení na spaľovanie uhlia poskytujú komerčné zdroje germánia.

Pri rafinácii germánia sa zvyšky nízkej kvality získané z jeho rúd spracujú silnou kyselinou chlorovodíkovou a výsledný chlorid germannatý sa destiluje, čistí sa opakovanou redestiláciou a hydrolyzuje sa na oxid germaničitý, ktorý sa potom redukuje vodíkom na práškovú formu. kovu, ktorý sa topí pri teplote asi 1100 ° C (v inertnej atmosfére) a naleje sa na ingoty alebo polotovary.

Tento prvok je skôr krehký než ťažný; atómy v kryštáloch sú usporiadané rovnako ako atómy uhlíka v diamantu. Elektrické a polovodivé charakteristiky germánia sú porovnateľné s charakteristikami kremíka. Nie je atakovaný vzduchom pri izbovej teplote, ale je oxidovaný pri 600 ° - 700 ° C (1 100 ° -1 300 ° F) a rýchlo reaguje s halogénmi za vzniku tetrahalogenidov. Medzi kyselinami iba germánium značne atakuje iba koncentrovaná kyselina dusičná alebo sírová alebo aqua regia (zmes kyseliny dusičnej a kyseliny chlorovodíkovej). Aj keď vodné lúhovacie roztoky na to majú malý účinok, germánium sa rýchlo rozpustí v roztavenom hydroxidu sodnom alebo hydroxidu draselnom, čím sa tvoria príslušné germanáty.

Germánium vytvára stabilné oxidačné stavy +2 a +4, pričom zlúčeniny sú stabilnejšie a početnejšie. Dva najdôležitejšie zlúčeniny germánia sú oxid (Gruz ₂) a chloridu (GeCl ₄). Germanates, vytvorené zahriatím oxidu so základnými oxidy, zahŕňajú zinok germanate (Zn ₂ Geo ₄), ktorý sa používa ako fosforom (látka, ktorá vyžaruje svetlo, keď pod napätím radiáciou). Tetrachlorid, už uvedený ako medziprodukt pri získavaní germánia z jeho prírodných zdrojov, je prchavá bezfarebná kvapalina, ktorá mrzne pri asi -50 ° C (-58 ° F) a vrie pri 84 ° C (183,2 ° F).

Na použitie v elektronických zariadeniach si germániové ingoty alebo polotovary vyžadujú ďalšie čistenie, ktoré sa zvyčajne uskutočňuje technikou rafinácie zóny. Vysoko čisté germánium sa potom roztaví a „dotuje“ pridaním nepatrných množstiev arzénu, gália alebo iných prvkov za vzniku požadovaných elektronických charakteristík. Nakoniec sa z taveniny vytvárajú monokryštály pri starostlivo kontrolovaných teplotách, pričom sa ako jadro používa zárodočný kryštál. Monokryštály germánia sa pestujú v atmosfére dusíka alebo hélia z roztaveného materiálu. Tieto sa potom transformujú na polovodiče dotovaním (infúziou) atómami donora elektrónov alebo akceptorovými atómami, buď začlenením nečistôt do taveniny počas rastu kryštálu alebo difúziou nečistôt do kryštálu po jeho vytvorení.

Zlúčeniny germánia, v ktorých je germánium v oxidačnom stave +2, sú dobre charakterizované ako pevné látky a vo všeobecnosti sa ľahko oxidujú. Elementárne germánium môže byť elektrolyticky nanášané z mnohých roztokov a topení jeho zlúčenín. Je zaujímavé, že iba jeden miligram rozpusteného germánia na liter vážne zasahuje do elektrolytického vylučovania zinku.

Okrem svojich aplikácií v elektronických zariadeniach sa germánium používa ako súčasť zliatin a vo fosforoch pre žiarivky. Pretože germánium je priehľadné pre infračervené žiarenie, používa sa v zariadeniach používaných na detekciu a meranie takéhoto žiarenia, ako sú okná a šošovky. Vysoký index lomu kysličníka germannatého ho robí hodnotným ako súčasť okuliarov používaných v optických zariadeniach, ako sú širokouhlé šošovky pre fotoaparáty a mikroskopické objektívy. Toxikológia germánia a jeho zlúčenín je slabo definovaná.

Päť stabilných izotopov germánia sa vyskytuje v nasledujúcich relatívnych množstvách: germánium-70, 20,5%; germánium-72, 27,4%; germánium-73, 7,8%; germánium-74, 36,5%; a germánium-76, 7,8%. Bolo opísaných deväť rádioaktívnych izotopov.

Vlastnosti prvku

atómové číslo	32
atómová hmotnosť	72,59
bod topenia	937,4 ° C (1 719,3 ° F)
bod varu	2 830 ° C (5 130 ° F)
hustota	5,323 g / cm ³
oxidačné stavy	+2, +4
elektrónová konfigurácia.	1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ²